第十一章 海洋遥感(OceanicRemoteSensing)概述(Summary)一、海洋遥感及空间海洋观测历史背景(Backgroundofremotesensingandspatialoceanobservation):1.1957年苏联发射第一颗人造卫星(man-madesatellite)。 1960年NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,美国宇航局)发射了第一颗电视与红外(infrared)观测卫星。 1961年美国水星(Aqua)计划。 1973年Skylab证实了可见光(visiblelight)和近红外(nearinfrared)遥感对地球连续观测的能力。 1975年GEOS-3卫星高度计(SatelliteAltimeter)。 2.NOAA(NationalOceanicandAtmosphericAdministration,美国海洋大气局) 1972-1976发射NOAA-1,2,3,4,5卫星,装载了红外扫描辐射计(infraredscatteringradiometer)和微波辐射计(microwaveradiometer),估计海表温度(seasurfacetemperature)、大气温度(atmospheretemperature)、湿度剖面(moistureprofile)。 1978NASA发射了三颗卫星,喷气动力实验室(JPL)研制的SeasatAGoddard空间飞行中心(GSFC)研制的TIROS-N和Nimbus-7卫星 3.SeasatA海洋实验卫星装载了微波辐射计SMMR 微波高度计(MicrowaveAltimeter)RA、微波散射计(MicrowaveScatterometer)SASS、合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar)SAR、可见红外辐射计VIRR5种传感器,提供的海洋信息:SST、海面高度、海面风场、海浪(seawave)、海冰、海底地形、风暴潮(stormsurges)、水汽(vapour)和降雨(precipitation)等。寿命108天,被称为卫星海洋遥感的里程碑。 TIROS-N上装载了AVHRR(高级甚高分辨率辐射计)和TIROS业务化垂直探测器TOVS.奠定了卫星海表温度进入气象、海洋业务化预报的基础。 Nimbus-7装载了7台传感器,其中多通道扫描微波辐射计SMMR和沿岸带海色扫描仪CZCS与海洋观测有关,奠定了海色卫星遥感的基础。 1978-86CZCS提供了8年的全球海色(seacolor)图像以及海洋次表层叶绿素浓度参数(parametersofoceansubsurface'schlorophyllconcentration)。 二、海洋遥感现状(Statusinquo):三、发展前景(Development):EOS计划:投入100亿美元,18年完成。1999/12/18/18:35第一颗卫星TERRA已发射上天。上面搭载5个传感器:高级空间热辐射反辐射计(ASTER),云和地球辐射能量系统(CERES),多角光谱成像辐射仪(MISR),中分辨光谱成像辐射仪(Modis),对流层(troposphere)污染观测仪(MOPITT)(注:ASTER:高级空间热辐射反辐射计,采集自可见光至热红外地高分辨率(15-90m)多光谱资料,用于局部和区域过程研究。 CERES:云和地球辐射能量系统,确定云净辐射作用和地球辐射收支。 MISR:多角光谱成像辐射仪,中分辨率(275-1100m)成像观测,研究地表覆盖、气溶胶(aerosol)、云散射的角度分布特征。 Modis:中分辨光谱成像辐射仪,36波段和250-1000m的分辨率,对地球陆地、海洋和大气进行逐日综合评价。陆地覆盖特征及陆地变化、海洋生产力(oceanproduction)、陆地和海洋上气溶胶特性、可降水量、大气温度廓线、云滴尺度、云高和云顶温度探测。 MOPITT:对流层(troposphere)污染观测仪,全球三个高度层CO分布图,及分辨率(resolution)为22km全球甲烷(methane)分布图。 卫星遥感观测系统组成(ComponentsofSatelliteRemoteSensingObservationSystem)一、卫星遥感观测系统组成(Components):1.空间平台(platform): 装载传感器(sensor)的空间运载工具,包括人造卫星(man-madesatellite) 2.卫星传感器(sensor):根据电磁辐射(electromagneticradiation)原理获取海洋信息。 3.数据传输系统(Data-transmissionsystem): 星载传感器通常产生测量电压或频率(frequency)信号,大部分以数字信号形式传输到地面接收站。 4.地面接收站(earthstation): 5.数据处理系统(Data-processingsystem):对卫星轨道(satelliteorbit)和仪器校正。 6.数据分发系统(Data-distributionsystem):行政性组织机构,将数据分到科学家手里。 二、卫星轨道(Orbit)两种:静止轨道(stationaryorbit)和极轨轨道。 1.静止轨道: 地球同步轨道(geo-synchronousorbit)。离地面高度36000km,覆盖范围固定(事先设定),一般观测范围小于45。对某地扫描时间间隔短,可认为时间连续。传感器主要是被动式(passive)。分辨率低(lowresolution),主要为气象服务。海洋观测卫星都是采用极轨轨道。 2.极轨轨道:与太阳同步轨道(sun-synchronousorbit)。每次过这个地方时间固定,一天两次。离地面高度600—1000km,可变轨(在轨机动),技术上一段时间进行轨道修正。运行周期100分钟左右。其相邻轨道间隔由轨道倾角和轨道高度决定,在赤道上存在某些空白区(见动画)。观测范围基本覆盖全球。同一地点采样间隔长,TOPEX是9天两次,ERS-1、2为35天两次,NOAA和TERRA每天两次。 传感器原理及海洋参数反演(PrinciplesofSensor)一、传感器分类(Sortsofsensors):目前用于海洋观测的所有卫星传感器,均根据电磁辐射原理获取海洋信息。遥感技术采用的电磁波包括可见光(visible light)、红外(infrared)、微波(microwave)。可见光谱范围在0.4—0.7μm,红外波谱在1—100μm,微波光谱在1.8cm—6m(对应波段:0.3—100GHz)。 传感器按工作方式分为主动式(active)和被动式(passive)。 1、被动式: 可见、红外扫描辐射计(radiometer),微波辐射计(microwaveradiometer)。 2、主动式: 如微波高度计(MicrowaveAltimeter)(垂直下视)、微波散射计(MicrowaveScatterometer)(侧视)、合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar)(侧视合成)等。只有微波波段有,光源电磁波发射效率低,能量损失大,另外太阳辐射频率含盖红外、可见、紫外等频段,发射波受其影响很大。微波和激光,后者单点又造价太高。 二、传感器工作原理及海洋参数反演(Principles)(一)被动式(passive):辐射计工作原理是测量向上辐照度。按工作波段分可见、红外、微波等。可测表层叶绿素浓度,海洋初级生产力(primaryproduction),悬浮物浓度、海表温度(seasurfacetemperature)、海面风速(seasurfacewindspeed),海冰(seaice),水汽含量等。 1、红外: 1)温度(皮温,skintemperature)、黑潮(Kuroshio)(高温)、上升流(upwelling)(低温)、中尺度涡(mesoscaleeddy)(10—100km)、ENSO、军事航天 2)AVHRR(AdvancedVeryHighResolutionRadiometer)先进甚高分辨率辐射计:测海表面温度TirosNOAA-6 2、高光谱、多光谱: 1)连续频段、多个频段扫描 2)赤潮(redtide)、溢油、冰覆盖率… 3)水色卫星:8个频道。SeaWiFS:(Sea-ViewingWideField-of-View Senor),第二代水色卫星,可反演叶绿素含量、海表温度(SST)、悬移质、地面植被、大气校正等 3、微波辐射计: 微波辐射计:海面温度、海面风速、大气柱水汽含量、可降水量、盐度、气温 SpecialSensorMicrowave/TemperatureSounder(SSM/T) SpecialSensorMicrowave/WaterVaporProfiler(SSM/T2) SpecialSensorMicrowave/Imager(SSM/I) 4、海色传感器反演海洋参数对应波段: 测海表温度:卫星SST分为海表皮温(skintemperature)(海表微米量级)和海表体温(海表0.5—1.0m层温度)。 中心波段:11μm和12μm通道,3.7μm水汽校正通道。 表层叶绿素浓度:433—453nm(纳米)(中心波段443nm),500—530nm(510、520nm),660—680nm(670nm)。 悬浮物浓度:540—560nm(550nm)。 地面植被:700—800(750)nm。 气溶胶(Aerosol):745—785(765)nm,845—885(865)nm。 大气校正:660—680(670)nm,745—785(765)nm,845—885(865)nm。 (二)主动式(active): 1、微波高度计(MicrowaveAltimeter):测时间和散射强度得到海面高度(seasurfaceheight)、后向散射系数(backscatteringcoefficient)、有效波高(significantwaveheight)、海面风速(seasurfacewindspeed),可反演流、潮等动力参数及地球结构和重力场。 2、微波散射计(MicrowaveScatterometer): 通过测量风引起得粗糙海面对微波的后向散射特性来推算风场(WindField)。海面风场(10m),有方向。 3、合成孔径雷达SAR(SyntheticApertureRadar): 测海面的后向散射系数。反演波浪方向谱,内波(internalwave),水下地形,中尺度涡(mesoscaleeddies)等。 卫星(Satellite)NOAA(NationalOceanicandAtmosphereAdministration)系列气象卫星:携带传感器为甚高分辨率扫描辐射计AVHRR(AdvancedVeryHighResolutionRadiometer)。 1.ERS-1:沿轨迹扫描辐射计ATSR-1、高度计(Altimeter)、散射计(Scatterometer)和SAR(SyntheticApertureRadar)(C),已停用。 2.ERS-2:沿轨迹扫描辐射计ATSR-2、高度计(Altimeter)、散射计(Scatterometer)和SAR(SyntheticApertureRadar)(C)。 3.TOPEX/POSEIDON(希腊海神):专为海洋设计,携带传感器为高度计。 4.SEASTAR:海洋宽视场传感器SEAWIFS(Sea-viewingWideField-of-ViewSensor) 5.RADARSAT:SAR(SyntheticApertureRadar)(C) |
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